1 WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I ARCHITEKTURY
KATEDRA BUDOWNICTWA OGÓLNEGO
mgr inż. Piotr Tkacz
O O CE C EN NA A W W YT Y TR RZ ZY Y M M AŁ A Ł O O ŚC Ś CI I NA N A ŚC Ś CI IS SK KA AN NI IE E K K O O NS N ST TR RU UK KC CJ JI I MU M UR RO O WY W YC CH H
Z Z UW U WZ ZG G L L ĘD Ę DN NI IE E N N IE I EM M BA B AD DA AŃ Ń IN I N SI S IT TU U
ROZPRAWA DOKTORSKA
Promotor:
prof. dr hab. inż. Romuald Orłowicz
SZCZECIN 2015
2
SPIS TREŚCI
1. WSTĘP ...3
2. STAN WIEDZY ...6
2.1. METODY NISZCZĄCE... 6
2.2. METODY MAŁONISZCZĄCE... 11
2.3. METODY NIENISZCZĄCE... 14
2.4. METODY OPARTE NA BADANIACH SKŁADNIKÓW MURU... 19
2.5. METODY TEORETYCZNE... 22
2.6. CEL I TEZA ROZPRAWY... 25
3. ZACHOWANIE SIĘ MURU PRZY ŚCISKANIU ... 27
3.1. ODKSZTAŁCALNOŚĆ MURU... 27
3.2. MECHANIZMY ZNISZCZENIA MURU... 29
3.3. CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA WYTRZYMAŁOŚĆ MURU... 33
3.4. UJĘCIA NORMOWE... 40
4. METODY BADAŃ WYTRZYMAŁOŚCI CEGŁY... 42
4.1. UWAGI OGÓLNE... 42
4.2. BADANIA NORMOWE... 43
4.3. BADANIA SKLEROMETRYCZNE... 53
4.4. BADANIA ODWIERTÓW WALCOWYCH... 60
5. METODY BADAŃ WYTRZYMAŁOŚCI ZAPRAWY...68
5.1. UWAGI OGÓLNE... 68
5.2. BADANIA ZAPRAWY IN SITU... 71
5.3. BADANIA NA PRÓBKACH POBRANYCH Z MURU... 74
6. NIEKONWENCJONALNE METODY OKREŚLANIA WYTRZYMAŁOŚCI CEGŁY I ZAPRAWY ... 80
6.1. ZAŁOŻENIA WSTĘPNE... 80
6.2. OKREŚLENIE WYTRZYMAŁOŚCI CEGŁY NA ROZCIĄGANIE METODĄ PULL-OFF... 81
6.3. BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI CEGŁY NA ROZCIĄGANIE PRZY ROZŁUPYWANIU... 87
6.4. OKREŚLENIE WYTRZYMAŁOŚCI ZAPRAWY NA PRÓBKACH WALCOWYCH... 91
6.5. OCENA WYTRZYMAŁOŚCI ZAPRAWY NA PRÓBKACH ZESPOLONYCH... 94
6.6. WERYFIKACJA NIEKONWENCJONALNYCH METOD BADAWCZYCH... 102
7. WNIOSKI ... 108
8. BIBLIOGRAFIA ... 110
9. ZAŁĄCZNIKI ... 118
3
1. 1 . WS W ST TĘ ĘP P
Określenie wytrzymałości muru jako materiału konstrukcyjnego w istniejących obiektach budowlanych jest dotychczas zagadnieniem trudnym i nie w pełni rozwiązanym.
Zagadnienie to jest kluczowym przy opracowaniu ekspertyz i projektów obiektów planowanych do przebudowy, modernizacji lub rewitalizacji oraz przy ocenie ich istniejącego stanu technicznego.
Według statystyk Głównego Urzędu Nadzoru Budowlanego Rzeczpospolitej Polskiej liczba wyburzeń z tytułu "nieprawidłowego utrzymania" czyli np. zaniedbań remontowych, przybywa z każdym rokiem. Zdaniem GUNB to dowód na pogarszający się stan najstarszych obiektów budowlanych. Przykładowo ponad 800 tys. domów i kamienic czynszowych pamięta czasy przedwojenne, a połowa z nich - nawet Polskę rozbiorową. Grubo ponad milion rodzin mieszka w budynkach całkowicie wyeksploatowanych.
Uszkodzenia konstrukcji murowych, szczególnie zabytkowych są zjawiskiem niestety dość powszechnym. Przyczyny powstawania uszkodzeń są różnorodne i na ogół trudne do ustalenia, jednak ich morfologia, rozmiary oraz przebieg w czasie mogą znacznie ułatwić ich ustalenie. Zagadnienie uszkodzeń konstrukcji murowych nie jest takie proste, a błędne oszacowanie przyczyn i mechanizmów uszkodzeń obiektu może doprowadzić do kosztownych zabezpieczeń i wzmocnień oraz częściowego lub całkowitego wstrzymania eksploatacji budynku. Na nieuzasadnione koszty naraża się wtedy inwestora lub zarządcę nieruchomości. Bywa też, że dochodzi do awarii lub katastrofy budowlanej, z powodu błędnej oceny właściwości wytrzymałościowych konstrukcji murowej lub jej odkształcalności [19], [48], [49].
Informacje o zaistniałych awariach i katastrofach przekazują do Głównego Urzędu Nadzoru Budowlanego powiatowi i wojewódzcy inspektorzy nadzoru budowlanego w ramach zadań i kompetencji określanych w art. 76 ust. 1 pkt 2 ustawy – Prawo budowlane [23].
Z zebranych danych wynika, że np. w 2013 r. 155 katastrof budowlanych objęło obiekty o konstrukcji murowej, co stanowi 60% wszystkich katastrof budowlanych w Polsce w 2013 roku (Rys. 1.1).
4 Rys. 1.1 Struktura katastrof budowlanych w 2013 roku, z uwagi na konstrukcję nośną obiektu
ulegającego katastrofie (na podstawie danych z [23])
W związku z powyższym rozpoznanie cech mechanicznych muru jako konstrukcyjnego materiału dwuskładnikowego (elementu murowego i zaprawy) jest zagadnieniem najważniejszym i najtrudniejszym przy określeniu jego rzeczywistej nośności i trwałości. Problem polega na zróżnicowaniu wytrzymałości i odkształcalności zapraw i różnorodności elementów murowych stosowanych w różnych okresach wznoszenia obiektów [18], [22], [31], [34], [87].
Obecnie w ocenie nośności murów ceglanych stosuje się badania nieniszczące, małoniszczące oraz niszczące, które pozwalają ocenić właściwości zarówno całych konstrukcji, jak i jej poszczególnych komponentów (elementów murowych i zaprawy).
W Polsce, głównie ze względów finansowych oraz braku zaleceń normowych w tym zakresie, wiele ze znanych metod badawczych jak na razie jest jeszcze rzadko stosowanych.
Dla rozwoju metod badań istniejących konstrukcji murowych nie bez znaczenia pozostaje fakt, iż wolne przestrzenie w aglomeracjach przeznaczone pod zabudowę maleją, natomiast proces związany z adaptacją i remontami istniejących budynków murowanych, ze względu na ich stan techniczny ewoluuje. Wiąże się to zwykle ze zmianą sposobu obciążenia obiektów budowlanych, bez względu na to czy jest to zmiana warunków pracy konstrukcji czy przebudowa z uwagi na nowe funkcje użytkowe.
Niniejsza rozprawa dotyczy metod oceny wytrzymałości na ściskanie muru jako materiału konstrukcyjnego na przykładzie obiektów zlokalizowanych głównie na terenie Szczecina. Pośrednią przyczyną podjęcia badań przedstawionych w niniejszej rozprawie były coraz częstsze sygnały o występowaniu zjawisk niekorzystnie wpływających na stan konstrukcji w wielu szczecińskich obiektach z okresu przedwojennego. Analiza informacji
5 napływających z różnych instytucji wykazała, że podobny problem występuje w całym bloku zachodnim tzw. "poniemieckiej" części Polski. Wzmianki te, były bezpośrednią przyczyną podjęcia obserwacji tych obiektów i przeprowadzenia szczegółowych badań w Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie. Prowadzone prace badawcze na bieżąco koordynowano z zainteresowanymi instytucjami m.in. Szczecińskim Centrum Renowacyjnym, Zakładem Budynków i Lokali Komunalnych, biurami projektowymi itp.
W niniejszej rozprawie wykonano również analizy i syntezy znanych na świecie metod określania wytrzymałości muru na ściskanie w istniejących obiektach budowlanych oraz zaproponowano własne metody badawcze. W takim ujęciu próbę rozwiązania rozpatrywanego zagadnienia podjęto po raz pierwszy w kraju.
6
2. 2 . ST S TA AN N WI W IE ED DZ ZY Y
2 2. .1 1. . Me M et to od dy y n ni is sz z cz c zą ąc ce e
W diagnostyce konstrukcji murowych można korzystać z badań laboratoryjnych.
W tym celu z muru pobiera się próbki w postaci odwiertów o dużej średnicy [39]. Odwierty te mogą być wykonywane w kierunku pionowym i poziomym - równolegle do spoin wspornych muru. Przykłady pobranych próbek przedstawiono na Rys. 2.1. Walce muru wycina się w takim miejscu, aby ilość zaprawy i elementów murowych były reprezentatywne dla konstrukcji. Trudność stanowi transport wyciętych walców do laboratorium w warunkach zapewniających, że nie zostaną one poluzowane lub zniszczone w drodze. Błąd określenia wytrzymałości tą metodą szacuje się na około 30-50% i więcej, w zależności od rodzaju i stanu zaprawy w murze [32], [53].
a) b)
Rys. 2.1 Próbki walcowe pobrane ze ścian murowych do oceny wytrzymałości muru na ściskanie w poprzek spoin wspornych
Zależność pomiędzy wytrzymałością określoną na próbkach wg schematu przedstawionego na Rys. 2.1b, a wytrzymałością charakterystyczną muru na ściskanie dla kierunku pionowego do spoin wspornych określa się ze wzoru:
m f
fk (0,750,83) k,mean (2.1)
6
2. 2 . ST S TA AN N WI W I ED E DZ ZY Y
2. 2 .1 1. . M Me e to t od dy y ni n is sz z cz c zą ąc ce e
W diagnostyce konstrukcji murowych można korzystać z badań laboratoryjnych.
W tym celu z muru pobiera się próbki w postaci odwiertów o dużej średnicy [39]. Odwierty te mogą być wykonywane w kierunku pionowym i poziomym - równolegle do spoin wspornych muru. Przykłady pobranych próbek przedstawiono na Rys. 2.1. Walce muru wycina się w takim miejscu, aby ilość zaprawy i elementów murowych były reprezentatywne dla konstrukcji. Trudność stanowi transport wyciętych walców do laboratorium w warunkach zapewniających, że nie zostaną one poluzowane lub zniszczone w drodze. Błąd określenia wytrzymałości tą metodą szacuje się na około 30-50% i więcej, w zależności od rodzaju i stanu zaprawy w murze [32], [53].
a) b)
Rys. 2.1 Próbki walcowe pobrane ze ścian murowych do oceny wytrzymałości muru na ściskanie w poprzek spoin wspornych
Zależność pomiędzy wytrzymałością określoną na próbkach wg schematu przedstawionego na Rys. 2.1b, a wytrzymałością charakterystyczną muru na ściskanie dla kierunku pionowego do spoin wspornych określa się ze wzoru:
m f
fk (0,750,83) k,mean (2.1)
6
2. 2 . ST S TA AN N WI W I ED E DZ ZY Y
2. 2 .1 1. . M Me e to t od dy y ni n is sz z cz c zą ąc ce e
W diagnostyce konstrukcji murowych można korzystać z badań laboratoryjnych.
W tym celu z muru pobiera się próbki w postaci odwiertów o dużej średnicy [39]. Odwierty te mogą być wykonywane w kierunku pionowym i poziomym - równolegle do spoin wspornych muru. Przykłady pobranych próbek przedstawiono na Rys. 2.1. Walce muru wycina się w takim miejscu, aby ilość zaprawy i elementów murowych były reprezentatywne dla konstrukcji. Trudność stanowi transport wyciętych walców do laboratorium w warunkach zapewniających, że nie zostaną one poluzowane lub zniszczone w drodze. Błąd określenia wytrzymałości tą metodą szacuje się na około 30-50% i więcej, w zależności od rodzaju i stanu zaprawy w murze [32], [53].
a) b)
Rys. 2.1 Próbki walcowe pobrane ze ścian murowych do oceny wytrzymałości muru na ściskanie w poprzek spoin wspornych
Zależność pomiędzy wytrzymałością określoną na próbkach wg schematu przedstawionego na Rys. 2.1b, a wytrzymałością charakterystyczną muru na ściskanie dla kierunku pionowego do spoin wspornych określa się ze wzoru:
m f
fk (0,750,83) k,mean (2.1)
7 gdzie:
mean
f
k, - średnia wytrzymałość na ściskanie uzyskana z odwiertów,1
m - współczynnik przyjmowany w zależności od aktualnego stanu technicznego konstrukcji murowej.
Próby określania wytrzymałości na próbkach rdzeniowych wycinanych z muru w kierunku prostopadłym do spoin wspornych podejmowano rzadziej. W pracy [39] autorzy przedstawili wyniki z przeprowadzonych badań wytrzymałości na ściskanie na próbkach o średnicy 12,5 cm wycinanych z muru w kierunku prostopadłym do spoin wspornych, co w pełni odzwierciedlało kierunek działania obciążenia ściskającego w konstrukcji murowej. Próbki pochodziły z budynku o konstrukcji ceglanej wymurowanego w latach 30 XX wieku, na zaprawie cementowo - wapiennej. Z pobranych próbek określono wytrzymałość elementów murowych, zaprawy jak i przygotowanych do badań próbek o wymiarach = h = 12,5 cm zawierających dwie warstwy cegieł i spoinę wsporną.
Wytrzymałość na ściskanie elementów murowych została określona w sposób normowy [120], a zbadana wytrzymałość na ściskanie muru na próbkach o średnicy 12,5 cm była dwukrotnie niższa niż wytrzymałość określona według zmodyfikowanej zależności L. Oniszczyka opisanej szerzej w punkcie 3.4.
Praktyczny zakres stosowania zaproponowanej w [39] metody jest dość mocno ograniczony, ponieważ w próbce o wysokości 12,5 cm zawierającej jedną spoinę wsporną udział procentowy wytrzymałości cegły w stosunku do wytrzymałości zaprawy, jest zupełnie inny niż w przypadku całej konstrukcji murowej. Należałoby, zatem pobrać odwiert rdzeniowy o większej średnicy, zawierający przynajmniej kilka warstw murowych (Rys. 2.1a), jednakże pobranie takich próbek z konstrukcji murowej jest zadaniem bardzo trudnym, w większości przypadków wręcz niewykonalnym.
W wyjątkowych przypadkach mogą być przeprowadzone badania in situ dużych fragmentów muru za pomocą siłowników hydraulicznych [13]. W tym celu badany fragment muru wyodrębnia się ze ściany poprzez jej przecinanie lub rozkucie w obszarach górnej i pionowych krawędzi fragmentu. Im większe są badane fragmenty murów, czy też filarów, tym reprezentatywność wyników jest większa. Przygotowany w taki sposób fragment muru może być poddany nie tylko pionowemu ściskaniu, ale jednocześnie ścinaniu w płaszczyźnie poziomej (Rys. 2.2).
8
a) b)
Rys. 2.2 Badanie in situ fragmentów ścian murowych na ściskanie (a) i ściskanie ze ścinaniem (b) [13]
Badanie przeprowadza się w przygotowanej prasie hydraulicznej o odpowiednim zakresie wytrzymałościowym, zawierającej specjalistyczne oprogramowanie komputerowe.
Próbę ściskania prowadzi się do założonego poziomu obciążenia ściskającego lub ostatecznego zniszczenia wyodrębnionego ze ściany filara stale rejestrując jego odkształcenia.
Na większych fragmentach konstrukcji murowej można również przeprowadzać badanie wytrzymałości muru na rozciąganie pod kątem 45 do spoin wspornych (Rys. 2.3).
Badanie przeprowadza się na próbkach o wymiarach 120x120 cm. Podczas badania próbka 8
a) b)
Rys. 2.2 Badanie in situ fragmentów ścian murowych na ściskanie (a) i ściskanie ze ścinaniem (b) [13]
Badanie przeprowadza się w przygotowanej prasie hydraulicznej o odpowiednim zakresie wytrzymałościowym, zawierającej specjalistyczne oprogramowanie komputerowe.
Próbę ściskania prowadzi się do założonego poziomu obciążenia ściskającego lub ostatecznego zniszczenia wyodrębnionego ze ściany filara stale rejestrując jego odkształcenia.
Na większych fragmentach konstrukcji murowej można również przeprowadzać badanie wytrzymałości muru na rozciąganie pod kątem 45 do spoin wspornych (Rys. 2.3).
Badanie przeprowadza się na próbkach o wymiarach 120x120 cm. Podczas badania próbka 8
a) b)
Rys. 2.2 Badanie in situ fragmentów ścian murowych na ściskanie (a) i ściskanie ze ścinaniem (b) [13]
Badanie przeprowadza się w przygotowanej prasie hydraulicznej o odpowiednim zakresie wytrzymałościowym, zawierającej specjalistyczne oprogramowanie komputerowe.
Próbę ściskania prowadzi się do założonego poziomu obciążenia ściskającego lub ostatecznego zniszczenia wyodrębnionego ze ściany filara stale rejestrując jego odkształcenia.
Na większych fragmentach konstrukcji murowej można również przeprowadzać badanie wytrzymałości muru na rozciąganie pod kątem 45 do spoin wspornych (Rys. 2.3).
Badanie przeprowadza się na próbkach o wymiarach 120x120 cm. Podczas badania próbka
9 zostaje sztywno zamontowana poprzez stalowe obejmy w przeciwległych jej narożnikach.
Obie przekątne próbki do badania wyposażone są w czujniki indukcyjne mierzące przemieszczenia. Szczególną uwagę poświęcono rozkładowi obciążenia w narożnikach próbki w celu uniknięcia nadmiernej koncentracji naprężeń, zatem sztywne stalowe obejmy musiały posiadać odpowiednie proporcje względem badanej próbki. Analizując wyniki wytrzymałości konstrukcji murowej uzyskanej podczas badania po przekątnej ustala się wytrzymałość muru na rozciąganie pod kątem 45 do spoin wspornych. Wartość ta jednak w dużym stopniu zależy od interpretacji badacza [12].
a) b)
Rys. 2.3 Badanie in situ fragmentów ścian murowych po przekątnej [12]
Prowadząc badania opisywaną metodą należy pamiętać, iż uzyskane wytrzymałości murów, są bliskie ich rzeczywistym wartościom, jednakże zakres ingerencji w konstrukcję murową jest bardzo duży i bardzo często możliwy do zaakceptowania tylko w przypadku, gdy planowana jest gruntowna modernizacja obiektu (np. wyburzenie fragmentu istniejącej konstrukcji). Natomiast wycięcie reprezentatywnej próbki i jej dostarczenie do laboratorium badawczego może stanowić zbyt duży problem, ponieważ może ona ulec poluzowaniu podczas transportu, co dyskwalifikuje ją z dalszych badań przy użyciu omawianej metody badawczej. W pracy [106] autor stwierdza, iż wytrzymałość zaprawy niezbędna do pobrania reprezentatywnej próbki z konstrukcji murowej powinna wynosić nie mniej niż 0,3 MPa, jednakże badania własne autora niniejszej rozprawy potwierdzają, iż nawet w przypadku zapraw murowych o wytrzymałościach równych 1,0 MPa (stare zaprawy wapienne) często pojawia się problem z wycięciem reprezentatywnej próbki. W dalszym ciągu nierozwiązany pozostaje problem wyboru miejsc do pozyskania reprezentatywnej próbki, ponieważ konstrukcje murowe na zaprawach o większej wytrzymałości mają zwykle mniejszą grubość, 9 zostaje sztywno zamontowana poprzez stalowe obejmy w przeciwległych jej narożnikach.
Obie przekątne próbki do badania wyposażone są w czujniki indukcyjne mierzące przemieszczenia. Szczególną uwagę poświęcono rozkładowi obciążenia w narożnikach próbki w celu uniknięcia nadmiernej koncentracji naprężeń, zatem sztywne stalowe obejmy musiały posiadać odpowiednie proporcje względem badanej próbki. Analizując wyniki wytrzymałości konstrukcji murowej uzyskanej podczas badania po przekątnej ustala się wytrzymałość muru na rozciąganie pod kątem 45 do spoin wspornych. Wartość ta jednak w dużym stopniu zależy od interpretacji badacza [12].
a) b)
Rys. 2.3 Badanie in situ fragmentów ścian murowych po przekątnej [12]
Prowadząc badania opisywaną metodą należy pamiętać, iż uzyskane wytrzymałości murów, są bliskie ich rzeczywistym wartościom, jednakże zakres ingerencji w konstrukcję murową jest bardzo duży i bardzo często możliwy do zaakceptowania tylko w przypadku, gdy planowana jest gruntowna modernizacja obiektu (np. wyburzenie fragmentu istniejącej konstrukcji). Natomiast wycięcie reprezentatywnej próbki i jej dostarczenie do laboratorium badawczego może stanowić zbyt duży problem, ponieważ może ona ulec poluzowaniu podczas transportu, co dyskwalifikuje ją z dalszych badań przy użyciu omawianej metody badawczej. W pracy [106] autor stwierdza, iż wytrzymałość zaprawy niezbędna do pobrania reprezentatywnej próbki z konstrukcji murowej powinna wynosić nie mniej niż 0,3 MPa, jednakże badania własne autora niniejszej rozprawy potwierdzają, iż nawet w przypadku zapraw murowych o wytrzymałościach równych 1,0 MPa (stare zaprawy wapienne) często pojawia się problem z wycięciem reprezentatywnej próbki. W dalszym ciągu nierozwiązany pozostaje problem wyboru miejsc do pozyskania reprezentatywnej próbki, ponieważ konstrukcje murowe na zaprawach o większej wytrzymałości mają zwykle mniejszą grubość, 9 zostaje sztywno zamontowana poprzez stalowe obejmy w przeciwległych jej narożnikach.
Obie przekątne próbki do badania wyposażone są w czujniki indukcyjne mierzące przemieszczenia. Szczególną uwagę poświęcono rozkładowi obciążenia w narożnikach próbki w celu uniknięcia nadmiernej koncentracji naprężeń, zatem sztywne stalowe obejmy musiały posiadać odpowiednie proporcje względem badanej próbki. Analizując wyniki wytrzymałości konstrukcji murowej uzyskanej podczas badania po przekątnej ustala się wytrzymałość muru na rozciąganie pod kątem 45 do spoin wspornych. Wartość ta jednak w dużym stopniu zależy od interpretacji badacza [12].
a) b)
Rys. 2.3 Badanie in situ fragmentów ścian murowych po przekątnej [12]
Prowadząc badania opisywaną metodą należy pamiętać, iż uzyskane wytrzymałości murów, są bliskie ich rzeczywistym wartościom, jednakże zakres ingerencji w konstrukcję murową jest bardzo duży i bardzo często możliwy do zaakceptowania tylko w przypadku, gdy planowana jest gruntowna modernizacja obiektu (np. wyburzenie fragmentu istniejącej konstrukcji). Natomiast wycięcie reprezentatywnej próbki i jej dostarczenie do laboratorium badawczego może stanowić zbyt duży problem, ponieważ może ona ulec poluzowaniu podczas transportu, co dyskwalifikuje ją z dalszych badań przy użyciu omawianej metody badawczej. W pracy [106] autor stwierdza, iż wytrzymałość zaprawy niezbędna do pobrania reprezentatywnej próbki z konstrukcji murowej powinna wynosić nie mniej niż 0,3 MPa, jednakże badania własne autora niniejszej rozprawy potwierdzają, iż nawet w przypadku zapraw murowych o wytrzymałościach równych 1,0 MPa (stare zaprawy wapienne) często pojawia się problem z wycięciem reprezentatywnej próbki. W dalszym ciągu nierozwiązany pozostaje problem wyboru miejsc do pozyskania reprezentatywnej próbki, ponieważ konstrukcje murowe na zaprawach o większej wytrzymałości mają zwykle mniejszą grubość,
10 zatem pobranie fragmentu muru do badań może mieć znaczący wpływ na dalszą pracę i wytrzymałość całej konstrukcji. Dlatego też, do badań wytrzymałościowych pobiera się prostopadłościenne fragmenty muru pochodzące ze ścianek i filarków międzyokiennych przeznaczonych do rozbiórki. Początkowo należy wyodrębnić fragment ściany, nieposiadający uszkodzeń mechanicznych, a następnie równomiernie przekazać na mur obciążenie wygenerowane przez siłowniki hydrauliczne. Jest to pewien problem, szczególnie w przypadku badania murów na słabych zaprawach wapiennych, bardzo wrażliwych na uszkodzenia w trakcje procesu wycinania, a takie stanowią zdecydowaną większość starych, zabytkowych konstrukcji murowych. Badania przeprowadzane na dużych fragmentach istniejących ścian murowych dają miarodajne wyniki, są one jednak bardzo drogie i trudne do wykonania, dlatego są wykonywane niezwykle rzadko. Wprawdzie na świecie istnieją już prace poświęcone opisanej procedurze badawczej [13], [47], jednak w Polsce nie opublikowano dotychczas wyników badań tego typu.
Autor niniejszej rozprawy przeprowadził badania wytrzymałości muru z kamienic w Szczecinie, które po około 100 latach eksploatacji podlegały rozbiórce (Rys. 2.4). Grubość ścian nośnych zewnętrznych wynosiła na parterze 51 cm, natomiast na wyższych kondygnacjach 38 cm. Główny problem polegał na pobieraniu próbek muru ze ścian i dostarczeniu ich do laboratorium. Wycinanie próbek ze ścian o tak dużej grubości wymaga specjalistycznego sprzętu, gdyż tradycyjne piły tarczowe do cięcia w pionie ścian o grubości powyżej 38 cm są nie przydatne. W związku z tym za pomocą piły tarczowej wycinano fragmenty muru ze ścian działowych o grubości 12 cm i wymiarach 54x50 cm, czyli zbliżonych do normowych próbek murowych (Rys. 2.5).
Rys. 2.4 Widok jednej z kamienic Szczecina podczas jej rozbiórki
11 Warto nadmienić, że po wycięciu i transporcie do badań przydatne było zaledwie 35%
próbek. Pozostałe były poluzowane i rozsegregowane.
Fragmenty obciążano w laboratorium w prasie hydraulicznej umożliwiającej pomiary odkształceń. Ich niszczenie następowało nie poprzez rozłupywanie na poszczególne słupki (mechanizm klasyczny), lecz poprzez rozdrabnianie, któremu towarzyszyły spękania cegieł w wyniku ich rozciągania przy zginaniu. Bardziej szczegółowa analiza powyższych badań jest przedstawiona w rozdziale 6 niniejszej rozprawy.
a) b)
Rys. 2.5 Wycinanie fragmentów muru ze ściany (a) oraz ich przygotowanie do badań wytrzymałościowych na ściskanie (b)
2 2. .2 2. . Me M et to od dy y m ma ał ło on ni is sz zc cz zą ąc ce e
W ostatnim czasie w celu oceny bezpieczeństwa istniejących konstrukcji murowych coraz częściej podejmuje się badania muru na ściskanie metodą flat - jack za pomocą poduszek ciśnieniowych [83], wprowadzanych w spoiny poziome muru po usunięciu z nich zaprawy (Rys. 2.6). Wydane na początku lat 90. amerykańskie normy [112], [113], [114]
określały jednoznacznie poziom naprężenia w konstrukcjach murowych oraz ich odkształcalność w odniesieniu do tej metody. Wątek ten został szerzej opisany, na konferencji RILEM [79], [80]. W Polsce metodę badawczą z zastosowaniem poduszek ciśnieniowych opisano w pracach [71], [56]. Jest to bardzo przydatne narzędzie do oceny właściwości
12 istniejącego muru bez konieczności jego niszczenia. Badanie może dostarczyć wielu informacji na temat naprężeń w konstrukcji murowej praktycznie w dowolnym jej miejscu.
Jest oparte na metodach wywodzących się z geomechaniki i jest dobrze znane w dziedzinie mechaniki skał dla określenia naprężeń oraz odkształcalności materiału w strukturze skały tuneli i w kopalniach [2], [30], [29]. Technologia została zmodyfikowana oraz dostosowana do celów oceny stanu murów kamiennych oraz ceglanych przez włoskich naukowców [83].
W pracy [46] autor mierząc naprężenia ściskające w murze używa metody flat - jack do weryfikacji przyjętych rozwiązań w zakresie modelowania obciążeń i nośności konstrukcji.
Rys. 2.6 Badanie odkształcalności muru przy użyciu poduszek ciśnieniowych:
1 – poduszki ciśnieniowe osadzone w szczeliny wykonane w spoinach wspornych, 2 – czopki dla pomiaru pionowych i poziomych przemieszczeń
Rys. 2.7 Rodzaje i zastosowanie hydraulicznych poduszek ciśnieniowych
Metoda polega na tym, że na wstępie ustala się punkty pomiarowe wraz z pomiarem odległości pomiędzy nimi, następnie usuwa się spoinę wsporną za pomocą piły na głębokość nie mniejszą niż 2/3 grubości muru, co powoduje lokalne odciążenie muru w rejonie nacięć.
12 istniejącego muru bez konieczności jego niszczenia. Badanie może dostarczyć wielu informacji na temat naprężeń w konstrukcji murowej praktycznie w dowolnym jej miejscu.
Jest oparte na metodach wywodzących się z geomechaniki i jest dobrze znane w dziedzinie mechaniki skał dla określenia naprężeń oraz odkształcalności materiału w strukturze skały tuneli i w kopalniach [2], [30], [29]. Technologia została zmodyfikowana oraz dostosowana do celów oceny stanu murów kamiennych oraz ceglanych przez włoskich naukowców [83].
W pracy [46] autor mierząc naprężenia ściskające w murze używa metody flat - jack do weryfikacji przyjętych rozwiązań w zakresie modelowania obciążeń i nośności konstrukcji.
Rys. 2.6 Badanie odkształcalności muru przy użyciu poduszek ciśnieniowych:
1 – poduszki ciśnieniowe osadzone w szczeliny wykonane w spoinach wspornych, 2 – czopki dla pomiaru pionowych i poziomych przemieszczeń
Rys. 2.7 Rodzaje i zastosowanie hydraulicznych poduszek ciśnieniowych
Metoda polega na tym, że na wstępie ustala się punkty pomiarowe wraz z pomiarem odległości pomiędzy nimi, następnie usuwa się spoinę wsporną za pomocą piły na głębokość nie mniejszą niż 2/3 grubości muru, co powoduje lokalne odciążenie muru w rejonie nacięć.
12 istniejącego muru bez konieczności jego niszczenia. Badanie może dostarczyć wielu informacji na temat naprężeń w konstrukcji murowej praktycznie w dowolnym jej miejscu.
Jest oparte na metodach wywodzących się z geomechaniki i jest dobrze znane w dziedzinie mechaniki skał dla określenia naprężeń oraz odkształcalności materiału w strukturze skały tuneli i w kopalniach [2], [30], [29]. Technologia została zmodyfikowana oraz dostosowana do celów oceny stanu murów kamiennych oraz ceglanych przez włoskich naukowców [83].
W pracy [46] autor mierząc naprężenia ściskające w murze używa metody flat - jack do weryfikacji przyjętych rozwiązań w zakresie modelowania obciążeń i nośności konstrukcji.
Rys. 2.6 Badanie odkształcalności muru przy użyciu poduszek ciśnieniowych:
1 – poduszki ciśnieniowe osadzone w szczeliny wykonane w spoinach wspornych, 2 – czopki dla pomiaru pionowych i poziomych przemieszczeń
Rys. 2.7 Rodzaje i zastosowanie hydraulicznych poduszek ciśnieniowych
Metoda polega na tym, że na wstępie ustala się punkty pomiarowe wraz z pomiarem odległości pomiędzy nimi, następnie usuwa się spoinę wsporną za pomocą piły na głębokość nie mniejszą niż 2/3 grubości muru, co powoduje lokalne odciążenie muru w rejonie nacięć.
13 Spoiny oddalone są od siebie od 430 do 500 mm, co odpowiada w przybliżeniu długości poduszki ciśnieniowej. Stosowane do badań poduszki ciśnieniowe mają kształt prostokątny, o stosunku boków 1:2 lub zaokrąglony, aby lepiej dopasować się do opróżnionego piłą tarczową miejsca w spoinie. Do pomiarów odkształcalności konstrukcji murowej nie zaleca się stosowania poduszek w kształcie wycinka koła, ponieważ dają one najbardziej nierównomierny rozkład naprężeń ściskających w konstrukcji. Poduszki wykonane są ze stali nierdzewnej grubości 0,8 do 1,0 mm i mają grubość ok. 10 mm (Rys. 2.7). Po wprowadzeniu w spoinę poduszki ciśnieniowej wprowadza się takie ciśnienie w poduszce, aby odległość pomiędzy punktami pomiarowymi była taka sama, jak przed wykonaniem nacięć w spoinie.
Ocenę poziomu naprężeń ściskających prowadzi się zwykle do naprężenia w murze odpowiadającego maksymalnemu obciążeniu badanego elementu konstrukcji w przewidywanych warunkach użytkowania obiektu lub niewiele większego. Z reguły jest to naprężenie nieprzekraczające 0,5 szacowanej wytrzymałości muru. Badania można też doprowadzić do naprężania bliskiego wytrzymałości. Wyraźne odchylenie wykresu od prostej jest (obok pojawienia się rys w murze) oznaką znacznego wytężenia muru i powoduje zwykle przerwanie badania.
Odmienność omawianej metody w stosunku do klasycznej oceny bezpieczeństwa konstrukcji na podstawie znajomości wytrzymałości muru polega na tym, że tutaj przedmiotem badania nie jest wytrzymałość muru, a możliwość bezpiecznego przeniesienia przez mur określonej siły, odpowiadającej przewidywanemu obciążeniu konstrukcji.
Na powierzchni muru wydzielonej przez spoiny, w których umieszczone są poduszki ciśnieniowe, nakleja się czopki służące do pomiaru (za pomocą tensometru nasadowego) odkształcenia muru pod działaniem naprężenia p (Rys. 2.6, Rys. 2.7). Obie poduszki ciśnieniowe zasilane są przez jedną pompę.
Naprężeniapwywołane w murze wyznacza się ze wzoru:
p K Km a
p
(2.2)
gdzie:
Km - wartość stała uwzględniająca charakterystykę poduszki i sztywność spawanego połączenia blach poduszki na obwodzie (wielkość tę wyznacza się skalując poduszkę w prasie wytrzymałościowej),
Ka - stosunek pola pustej spoiny ( po usunięciu zaprawy) do pola poduszki,
p - ciśnienie wywołane w poduszce przez pompę zasilającą.
Badania metodą flat - jack należą do najbardziej przydatnych i dostępnych metod oceny właściwości strukturalnych konstrukcji murowych. W przeciwieństwie do innych
14 badanie nieniszczące, metodą flat - jack zapewnia bezpośredni pomiar fizyczny właściwości materiałowych potrzebnych do analizy strukturalnej i oceny konstrukcji, niewymagające jakichkolwiek badań i korelacji laboratoryjnych. Wyniki badań laboratoryjnych murów wskazują, że błąd przy szacowaniu naprężeń oraz modułu sprężystości w murze przy zastosowaniu poduszek ciśnieniowych flat - jack nie przekracza 20% [64], [96], [97]. Badanie wymaga jednak pewnych umiejętności i doświadczenia. Należy brać pod uwagę fakt, iż zastosowanie poduszek flat - jack w terenie jest dużo trudniejsze, niż w warunkach laboratoryjnych, ponieważ regularność struktur ceglanych w istniejących konstrukcjach jest zdecydowanie mniejsza niż w próbkach laboratoryjnych. Należy również uważać, aby nie uszkodzić struktury podczas wycinania rowków oraz zapewnić odpowiednie przyleganie poduszek ciśnieniowych do muru. Ze względu na bardzo niskie naprężenia ściskające w ścianach nie wysokich budynków (nieprzekraczające 0,15 MPa) metoda ta znajduje ograniczone zastosowanie, ponieważ błędy w szacowaniu wytrzymałości mogą sięgać nawet 100% [80]. Co więcej, niemożliwe jest uzyskanie odpowiedniego poziomu naprężeń ściskających dla pomiaru odkształcalności konstrukcji przy tak niskich wartościach obciążeń ściskających. Warto nadmienić, iż obecnie produkowane poduszki ciśnieniowe mają ograniczenia do 7 lub 10 MPa, co dyskwalifikuje tę metodę w przypadku konieczności zbadania konstrukcji murowych o większych wytrzymałościach.
Pomimo wielu niedogodności i ograniczeń omawiana metoda jest często stosowana, a z literatury można przytoczyć liczne przykłady określania naprężeń oraz odkształceń w istniejących konstrukcjach murowych [64], [80], [96], [97].
2 2. .3 3. . Me M et to od dy y n ni ie en ni is sz zc c zą z ąc ce e
Do metod nieniszczących należy zaliczyć badania obciążeniem próbnym, metody sklerometryczne, ultradźwiękowe i inne [15], [44], [74], [87], [108], [111].
Obciążenia próbne stosuje się dla konstrukcji użytkowanych przy braku dokumentacji projektowej i odpowiednich danych w celu obliczeniowego sprawdzenia przydatności konstrukcji do zamierzonego użytkowania. Obciążenia próbne dotyczą z reguły elementów zginanych, a tradycyjne kryterium pozytywnej oceny jest stosunek ugięcia trwałego, pozostałego po zdjęciu obciążenia, do ugięcia całkowitego, świadczący o „sprężystym”
zachowaniu się konstrukcji [44]. W budownictwie murowym metoda ta może być wykorzystana do badań stropów, sklepień, nadproży i nawet słupów [74].
15 Określenie rzeczywistego wytężenia muru możliwe jest in situ poprzez odciążenia filarka międzyokiennego. W tym celu w otworach okiennych po obu stronach filarka umieszcza się słupki podstemplowania z siłownikami, a na filarku mocuje się czujniki zegarowe lub indukcyjne do pomiaru odkształceń (Rys. 2.8).
Rys. 2.8 Schemat odciążenia filarka międzyokiennego siłami P:
1 – siłowniki, 2 – słupki, 3 – podkładki, 4 – czujnik pomiarowy
Metoda sklerometryczna np. młotkiem Schmidta typu N pozwala wyznaczyć jedynie wytrzymałość cegły w murze. Zastosowanie tej metody jest ograniczone do elementów murowych pełnych lub z otworami, których objętość nie przekracza 10% objętości elementu.
W przypadku elementów o większej zawartości otworów energia uderzenia jest tłumiona w stopniu uniemożliwiającym poprawną ocenę wytrzymałości. Ponadto na wyniki badań duży wpływ ma zawilgocenie cegły oraz stopień degradacji jej powierzchni licowych pod wpływem oddziaływania środowiska, a także rodzaj zaprawy. Zgodnie z [86], [119] badania dla każdego z miejsc pomiarowych należy wykonywać w pięciu punktach. W normie [130]
zaleca się przeprowadzenie pomiarów w minimum dziewięciu punktach w ramach każdego z miejsc, co z pewnością jest podejściem bardziej dokładnym w ocenie parametrów wytrzymałościowych konstrukcji. Poszczególne punkty pomiarowe powinny być oddalone od siebie o minimum 25 mm. Odczyty liczby odbicia dokonuje się przy prostopadłym ułożeniu młotka do badanej powierzchni, aby uniknąć konieczności rejestracji kąta nachylenia urządzenia oraz wprowadzania poprawek korygujących na etapie oceny wyników pomiarów.
Metoda sklerometryczna, zawsze miała swoich zwolenników oraz przeciwników.
Zwolennicy widzieli w niej możliwość łatwego określania wytrzymałości, przeciwnicy zaś dostrzegali bardzo małą jej wiarygodność [41], zatem wyniki badań sklerometrycznych bez wspomagających badań niszczących mogą być mało miarodajne.
16 Metody ultradźwiękowe polegające na pomiarze prędkości impulsowej są w stanie zlokalizować wady lub dostarczyć wyniki porównawcze z analizy jakości murów, ale nie mogą zapewnić danych ilościowe wymaganych do oceny i analizy technicznej konstrukcji.
Zastosowanie metod ultradźwiękowych w badaniach konstrukcji obejmuje przede wszystkim określenie wytrzymałości na ściskanie betonu [40]. Podstawową problematyką przy tej metodzie jest odpowiedni dobór funkcji regresji, wyrażającej zależność pomiędzy prędkością rozchodzenia się fal w betonie, a jego wytrzymałością. Wprawdzie normy europejskie dopuszczają stosowanie metody ultradźwiękowej w badaniach diagnostyki konstrukcji [8], [9], jednak dobierane hipotetycznie krzywe regresji muszą być korygowane na podstawie wyników badań próbek walcowych lub kostek sześciennych wyciętych z konstrukcji.
Przedmiotem badań ultradźwiękowych poza betonem cementowym, są również inne materiały budowlane. Wprawdzie badania mają na ogół charakter czysto poznawczy, to oprócz wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie pozwalają określić parametry odkształcalności badanego materiału oraz inne właściwości fizyczne, a zwłaszcza charakter i stopień jego anizotropowości. W pracy [7] autor badając beton komórkowy wykazał wyraźny wpływ jego wilgotności i anizotropowości związanej z kierunkiem wzrostu masy betonowej na właściwości mechaniczne i ultradźwiękowe. Wykazano również zależność pomiędzy wieloma właściwościami fizycznymi (wytrzymałością na ściskanie, gęstością objętościową i współczynnikiem przenikania ciepła), a prędkością fali podłużnej i poprzecznej. Współczynniki korelacji są rzędu 0,65-0,85 [40].
W diagnostyce konstrukcji murowych próby wykorzystywania metod ultradźwiękowych są podejmowane już od ponad 40 lat. Samo badanie polega na odczycie prędkości fali przepływającej przez badany materiał. Do badań wykorzystywanych jest wiele rodzajów głowic oraz schematów badawczych. Najbardziej popularna jest bezpośrednia metoda badawcza, polegająca na umieszczeniu głowic osiowo naprzeciwko siebie, po obu stronach badanej próbki, lub pośrednia, gdzie głowice są przyłożone obok siebie w odpowiedniej odległości.
Zastosowanie metod ultradźwiękowych do badań muru komplikuje się ze względu na jego strukturalną niejednorodność. Metoda ta do chwili obecnej nie znalazła powszechnego praktycznego zastosowania [15], [108], [111]. W Tablicy 2.1 zgodnie z pracą [108] podano wartości charakterystycznej wytrzymałości na ściskanie ceglanego muru w zależności od prędkości fal ultradźwiękowych. Dane uzyskano na podstawie ustalenia korelacji między prędkością fal ultradźwiękowych w próbkach murowych z rzeczywistą wytrzymałością na ściskanie tychże próbek. W pracy tej przytoczono również wyniki badań słupa ceglanego w budynku zabytkowym. Analiza mapy prędkości fal ultradźwiękowych (Rys. 2.9) i danych przedstawionych w Tablicy 2.1 pozwoliła wysnuć wniosek, że mur słupa z punktu widzenia
17 rozkładu wytrzymałości w przekroju jest niejednorodny, a najmniejsza wytrzymałość w prawym dolnym narożu przekroju wynosi zaledwie 0,5-1,0 MPa.
Tablica 2.1 Jakościowa klasyfikacja wytrzymałości na ściskanie ƒkmuru z cegły ceramicznej w zależności od prędkości V fal ultradźwiękowych [108]
L.p. Charakterystyka muru fk[MPa] V [m/s]
1 2 3 4 5 6
Bardzo mocny Mocny
Obniżona wytrzymałość Niska wytrzymałość
Słaby Bardzo słaby
4,0 - 4,5 3,0 - 4,0 2,0 - 3,0 1,5 - 2,0 1,0 - 1,5 0,5 - 1,0
≥ 3000 2000 - 3000 1500 - 2000 1000 - 1500 500 - 1000
≤ 500
Rys. 2.9 Mapa prędkości fal ultradźwiękowych (w m/s) w przekroju słupa ceglanego o wymiarach 0,9x2,05 m [102]
Na Rys. 2.10 przedstawiono wyniki badań ultradźwiękowych dla murów współczesnych [1].
Rys. 2.10 Zależność pomiędzy wytrzymałością na ściskanie konstrukcji murowej, a prędkością przepływu fali [1]
17 rozkładu wytrzymałości w przekroju jest niejednorodny, a najmniejsza wytrzymałość w prawym dolnym narożu przekroju wynosi zaledwie 0,5-1,0 MPa.
Tablica 2.1 Jakościowa klasyfikacja wytrzymałości na ściskanie ƒkmuru z cegły ceramicznej w zależności od prędkości V fal ultradźwiękowych [108]
L.p. Charakterystyka muru fk[MPa] V [m/s]
1 2 3 4 5 6
Bardzo mocny Mocny
Obniżona wytrzymałość Niska wytrzymałość
Słaby Bardzo słaby
4,0 - 4,5 3,0 - 4,0 2,0 - 3,0 1,5 - 2,0 1,0 - 1,5 0,5 - 1,0
≥ 3000 2000 - 3000 1500 - 2000 1000 - 1500 500 - 1000
≤ 500
Rys. 2.9 Mapa prędkości fal ultradźwiękowych (w m/s) w przekroju słupa ceglanego o wymiarach 0,9x2,05 m [102]
Na Rys. 2.10 przedstawiono wyniki badań ultradźwiękowych dla murów współczesnych [1].
Rys. 2.10 Zależność pomiędzy wytrzymałością na ściskanie konstrukcji murowej, a prędkością przepływu fali [1]
17 rozkładu wytrzymałości w przekroju jest niejednorodny, a najmniejsza wytrzymałość w prawym dolnym narożu przekroju wynosi zaledwie 0,5-1,0 MPa.
Tablica 2.1 Jakościowa klasyfikacja wytrzymałości na ściskanie ƒkmuru z cegły ceramicznej w zależności od prędkości V fal ultradźwiękowych [108]
L.p. Charakterystyka muru fk[MPa] V [m/s]
1 2 3 4 5 6
Bardzo mocny Mocny
Obniżona wytrzymałość Niska wytrzymałość
Słaby Bardzo słaby
4,0 - 4,5 3,0 - 4,0 2,0 - 3,0 1,5 - 2,0 1,0 - 1,5 0,5 - 1,0
≥ 3000 2000 - 3000 1500 - 2000 1000 - 1500 500 - 1000
≤ 500
Rys. 2.9 Mapa prędkości fal ultradźwiękowych (w m/s) w przekroju słupa ceglanego o wymiarach 0,9x2,05 m [102]
Na Rys. 2.10 przedstawiono wyniki badań ultradźwiękowych dla murów współczesnych [1].
Rys. 2.10 Zależność pomiędzy wytrzymałością na ściskanie konstrukcji murowej, a prędkością przepływu fali [1]
18 Na podstawie dostępnej literatury można stwierdzić, iż wyższe prędkości fali uzyskuje się w przypadku badań murów o wyższej wytrzymałości na ściskanie. Związane jest to przede wszystkim ze stopniem degradacji warstw licowych konstrukcji murowej, a także rodzajem zastosowanego materiału murowego, wypełnieniem i strukturą spoin. Biorąc pod uwagę wszystkie parametry mające wpływ na określenie prędkości fali w murze należy pamiętać, iż chcąc dokładnie określić jego wytrzymałość konieczne jest oszacowanie zależności korelacyjnych z innymi metodami badawczymi, co mocno ogranicza stosowanie metody ultradźwiękowej do bezpośredniej oceny wytrzymałości konstrukcji murowej. Ze względu na bardzo duży rozrzut - podobne wartości prędkości fal zarejestrowano dla murów wykonanych z cegieł różniących się od siebie wytrzymałością na ściskanie nawet trzykrotnie, można przyjąć, iż średni błąd pomiarowy wynosi do 50%. Prof. L. Runkiewicz w pracach [85], [87]
zbadał zależności dla elementów ceramicznych i na ich podstawie sformułował zależność:
2 , 4 2 , 1 3 ,
4 2
B B
B V V
f (2.3)
gdzie:
VB - prędkość rozchodzenia się fal ultradźwiękowych w elemencie murowym, fB - wytrzymałość na ściskanie określana zgodnie z [121].
Autor w omawianych badaniach [85], [87] sprawdził również zależności pomiędzy wilgotnością cegły, a prędkością rozchodzenia się fali i uzyskał następujące zależności:
– dla elementów murowych o wilgotności 3 - 15%
98 , 3 07 , 11 3
,
0 2
B B
B V V
f (2.4)
– dla elementów murowych o wilgotności 15-20%
63 , 2 97 , 14 7
,
5 2
B B
B V V
f (2.5)
Prędkość fali ultradźwiękowej zwiększa się wraz ze wzrostem wilgotności elementu murowego. Nie bez znaczenia pozostaje również wartość obciążenia ściskającego - wraz z jego wzrostem maleje prędkość przepływu fali ultradźwiękowej. W pracach [94], [95], [101] autorzy szerzej opisali zastosowanie badań ultradźwiękowych ceramicznych elementów murowych. Najdokładniejsze wyniki uzyskali przy użyciu głowic eksponencjalnych rozmieszczonych co 70 mm i przyłożonych do powierzchni muru (Rys. 2.11)
.
19 Rys. 2.11 Sposób badania cegieł i zaprawy między nimi za pomocą głowic eksponencjalnych
[94]
Zastosowanie metod ultradźwiękowych nie ogranicza się tylko do określenia wytrzymałości, ale i grubości konstrukcji murowej, czy też jakości struktury muru i występowania elementów "obcych" w konstrukcji takich jak stal, czy żelbet, a nawet drewno. Można określić również obecność pustek powietrznych w konstrukcji niewypełnionych zaprawą, a nawet najdrobniejsze rysy i spękania.
Oprócz metod opisanych powyżej, istnieją również badania, na podstawie których nie można ocenić wprost wytrzymałości czy też odkształcalności muru, jednakże są one bardzo pomocne jako badania uzupełniające, dające pogląd na parametry pośrednie mające wpływ na wytrzymałość muru. Są to najmniej inwazyjne z licznej grupy badań nieniszczących wykorzystujące m. in. videoskop, endoskop, rejestrację prądu elektrycznego i termografię, a nawet pomiary laserem [1], [5], [42], [68]. Metody te pozwalają określić wszelkie uszkodzenia konstrukcji murowej, zawartość niewypełnionych przestrzeni wraz ze zmianami materiałowymi w murze, a także jego stopień zawilgocenia wraz z rozkładem wilgotności w całym przekroju konstrukcji. Warto nadmienić, iż liczne wyniki badań małoniszczących opisanych w punkcie 2.2 oraz nieniszczących opisanych w punkcie 2.3 przedstawiono w pracy [50] w ramach programu "On-site investigation techniques for the structural evaluation of historic masonry".
2 2. .4 4. . Me M et to od dy y o op pa ar r te t e na n a ba b ad da an ni ia ac ch h sk s kł ła ad dn ni ik kó ów w mu m ur r u u
Wytrzymałość muru na ściskanie można określić w sposób pośredni na podstawie badań jego poszczególnych składników (elementów murowych i zaprawy). W normie [118]
podstawowe znaczenie nadaje się wzorowi potęgowanemu w postaci:
20
m b
k K f f
f (2.6)
gdzie:
fk – charakterystyczna wytrzymałość muru na ściskanie, fb – średnia wytrzymałość elementów murowych, fm – średnia wytrzymałość zaprawy,
K – współczynnik wyznaczany empirycznie,
, – współczynniki doświadczalne.
Zgodnie z normą [128] w załączniku krajowym przyjęto α =0,7, =0,3, K=0,45. Zatem wzór na wytrzymałość na ściskanie murów z cegły ceramicznej według [128] ma postać:
3 , 0 7 , 0
m b
k K f f
f (2.7)
i jest tożsamy ze wzorem podanym w [118].
W odniesieniu do historycznych murów ceglanych w pracy [56] proponowano stosować współczynnik K=0,36 i redukując go współczynnik χ ≤ 0,8, uwzględniający specyficzne cechy muru zabytkowego, jego struktury (np. stosunek grubości spoin wspornych do wysokości cegieł, imperfekcję cegieł), wpływ długotrwałego działania obciążenia, a także niepewność o oszacowaniu wartości wytrzymałości cegieł i zaprawy. Wzór (2.7) został zmodyfikowany na podstawie wyników obszernych badań doświadczalnych. Podstawowe zastrzeżenia do wzoru wynikają z doboru stałej K oraz z faktu, że wytrzymałość charakterystyczna określana jest na podstawie wartości średnich cegły i zaprawy. Przydatnym do określenia wytrzymałości muru na ściskanie może być również wzór L. Oniszczyka [67]:
b m b
mean
f b f f a A f
2
1 (2.8)
gdzie:
η – empiryczny współczynnik korekcyjny uwzględniający relację między wytrzymałością zaprawy i cegły
21
b m
b m b m
f f
przy f
f f f
04 , 0 2
04 , 0
25 , 2 03 , 0
b
m f
f
przy 0,04
1
(2.9)
Współczynnik A w (2.8) określa się ze wzoru:
b
b
f n m A f
10
10 (2.10)
W przypadku, gdy o wytrzymałości muru decyduje nie wytrzymałość elementów murowych na ściskanie, lecz ich wytrzymałość ƒb,t na zginanie (rozciąganie przy zginaniu) współczynnik A może być określony ze wzoru:
t b b
f A f
3 ,
1 2 ,
1 (2.11)
Dla muru z ceramicznych elementów murowych o wysokości 50-100 mm wartości współczynników we wzorach (2.8) i (2.10) według [77] wynoszą: a = 0,2, b = 0,3, m = 1,25, n = 3.
Wytrzymałość ƒb elementów murowych na ściskanie określa się laboratoryjnie bezpośrednio na próbkach pobranych z konstrukcji z uwzględnieniem ich stanu wilgotności.
Badania można wykonać zgodnie z normą [122] na próbkach, będących całymi elementami murowymi wyciętymi z muru lub połówkami tych wyrobów. Wytrzymałość elementów murowych pełnych można również ustalić na podstawie badań próbek walcowych wycinanych z cegły [52]. Trzeba jednak pamiętać, że z uwagi na anizotropię cegły, wytrzymałości na ściskanie walców wyciętych z cegieł w płaszczyznach wozówkowych, główkowych i wspornych mogą różnić się znacząco. Ponadto dotychczas nie określono współczynników korelacji pomiędzy wytrzymałościami uzyskanymi na próbkach walcowych i próbkach badanych zgodnie z normą [125]. Według [43] współczynnik przeliczający wytrzymałość odwiertu walcowego o średnicy 50 mm do wytrzymałości cegły ƒbszacuje się na ok. 0,9, a dokładność oceny wartości ƒbdo 15%. Duże trudności występują przy ocenie wytrzymałości zaprawy na ściskanie. Pobranie próbek zaprawy z muru, które mogłyby być poddane badaniu wytrzymałości na ściskanie jest uciążliwe. Pomijając niektóre mankamenty
22 omawianej metody, jest ona najchętniej stosowana w kraju i za granicą przy ocenie wytrzymałości muru na ściskanie.
2 2. .5 5. . Me M et to od dy y t te eo or r et e ty yc cz zn ne e
Z uwagi na szerokie zastosowanie metod numerycznych, przede wszystkim opartych ma metodzie elementów skończonych (MES), coraz częściej podejmuje się próby oszacowania wytrzymałości muru jako materiału dwuskładnikowego w sposób teoretyczny [51], [69], [70]. Na Rys. 2.12 przytoczono model obliczeniowy fragmentu muru wraz z wynikami obliczeń przy jego ściskaniu prostopadle do spoin wspornych.
a) b)
Rys. 2.12 Model obliczeniowy MES (a) oraz mapa naprężeń ściskających fragmentu muru poddanego ściskaniu (b) [51]
Określenie nośności muru z zastosowaniem znanych kryteriów nie jest możliwe, z uwagi na niejednorodny stan naprężeń występujący w cegle i zaprawie. Kryteria te opracowane głównie dla muru jako materiału anizotropowego homogenicznego nie uwzględniają jego struktury na poziomie mikro [16]. Występująca na tym poziomie koncentracja naprężeń na styku zaprawy i cegły powoduje ich mikropęknięcia, a co za tym idzie nieliniową pracę muru na ściskanie. W pełni nieliniowa analiza muru metodą elementów skończonych jest możliwa do przeprowadzenia za pomocą specjalnych elementów interfejsowych [51].
22 omawianej metody, jest ona najchętniej stosowana w kraju i za granicą przy ocenie wytrzymałości muru na ściskanie.
2. 2 .5 5. . M Me e to t od dy y te t eo or re et ty yc cz zn ne e
Z uwagi na szerokie zastosowanie metod numerycznych, przede wszystkim opartych ma metodzie elementów skończonych (MES), coraz częściej podejmuje się próby oszacowania wytrzymałości muru jako materiału dwuskładnikowego w sposób teoretyczny [51], [69], [70]. Na Rys. 2.12 przytoczono model obliczeniowy fragmentu muru wraz z wynikami obliczeń przy jego ściskaniu prostopadle do spoin wspornych.
a) b)
Rys. 2.12 Model obliczeniowy MES (a) oraz mapa naprężeń ściskających fragmentu muru poddanego ściskaniu (b) [51]
Określenie nośności muru z zastosowaniem znanych kryteriów nie jest możliwe, z uwagi na niejednorodny stan naprężeń występujący w cegle i zaprawie. Kryteria te opracowane głównie dla muru jako materiału anizotropowego homogenicznego nie uwzględniają jego struktury na poziomie mikro [16]. Występująca na tym poziomie koncentracja naprężeń na styku zaprawy i cegły powoduje ich mikropęknięcia, a co za tym idzie nieliniową pracę muru na ściskanie. W pełni nieliniowa analiza muru metodą elementów skończonych jest możliwa do przeprowadzenia za pomocą specjalnych elementów interfejsowych [51].
22 omawianej metody, jest ona najchętniej stosowana w kraju i za granicą przy ocenie wytrzymałości muru na ściskanie.
2. 2 .5 5. . M Me e to t od dy y te t eo or re et ty yc cz zn ne e
Z uwagi na szerokie zastosowanie metod numerycznych, przede wszystkim opartych ma metodzie elementów skończonych (MES), coraz częściej podejmuje się próby oszacowania wytrzymałości muru jako materiału dwuskładnikowego w sposób teoretyczny [51], [69], [70]. Na Rys. 2.12 przytoczono model obliczeniowy fragmentu muru wraz z wynikami obliczeń przy jego ściskaniu prostopadle do spoin wspornych.
a) b)
Rys. 2.12 Model obliczeniowy MES (a) oraz mapa naprężeń ściskających fragmentu muru poddanego ściskaniu (b) [51]
Określenie nośności muru z zastosowaniem znanych kryteriów nie jest możliwe, z uwagi na niejednorodny stan naprężeń występujący w cegle i zaprawie. Kryteria te opracowane głównie dla muru jako materiału anizotropowego homogenicznego nie uwzględniają jego struktury na poziomie mikro [16]. Występująca na tym poziomie koncentracja naprężeń na styku zaprawy i cegły powoduje ich mikropęknięcia, a co za tym idzie nieliniową pracę muru na ściskanie. W pełni nieliniowa analiza muru metodą elementów skończonych jest możliwa do przeprowadzenia za pomocą specjalnych elementów interfejsowych [51].
23
a) b)
Rys. 2.13 Element interfejsowy do szczególnej analizy muru [51]: a) sześciowęzłowy element liniowy (zerowej grubości) z trzema punktami całkowania, b) kontur graniczny
(1-początkowy, 2-pośredni, 3-końcowy, uwzględniający trzy mechanizmy zniszczenia, 4-przez rozciąganie, 5-przez tarcie Coulomba, 6-przez ściskanie)
Elementy te o zerowej grubości (Rys. 2.13) umieszcza się w siatce elementów skończonych w miejscu spodziewanych zarysowań. Do opisu zależności między normalnymi (tn) i stycznymi (tt) naprężeniami na brzegach elementu, a względnymi przemieszczeniami jego węzłów (un,ut) używa się związków konstytutywnych jak dla modelu ciała sprężysto - plastycznego z osłabieniem. Gdy wartości naprężeń brzegowych pozostają wewnątrz konturu granicznego (Rys. 2.13b), to element zachowuje się liniowo - sprężyście.
Gdy wartości naprężeń osiągną kontur graniczny, wówczas powstają względne przemieszczenia węzłów mogące modelować takie mechanizmy jak: rozwieranie rysy przy rozciąganiu, gdy tn ft, poślizg w rysie w skutek działania naprężeń tn i ts, a nawet rozkruszenie w spoinie poziomej przy ściskaniu.
Na Rys. 2.14a pokazano rzeczywisty fragment muru wraz ze sposobem rozmieszczenia (Rys. 2.14b) elementów skończonych oraz ich rodzajem (Rys. 2.14c).
W spoinach poziomych elementy interfejsowe opisują zniszczenie według modelu tarcia Coulomba. W spoinie pionowej i w środku cegły następuje rozwój rysy, gdy normalne naprężenia brzegowe tn osiągną pewną wartość graniczną ft związaną z techniczną wytrzymałością muru na rozciąganie [51].
a) b) c)
Rys. 2.14 Rozmieszczenie elementów interfejsowych w murze [51]: a) fragment muru, b) powiększona cegła wraz z elementami interfejsowymi, c) sześciowęzłowy element
interfejsowy oraz ośmiowęzłowy element tarczowy z czterema punktami całkowania (1-elementy w spoinie poziomej, 2-elementy w spoinie pionowej, 3-elementy w środku cegły,
4-elementy sprężyste ciągłe w cegle)
24 W procesie rozwoju zarysowań kontur graniczny ulega zmianie mierzonej pewnymi wewnętrznymi parametrami liczbowymi związanymi z energiami właściwymi dla danego mechanizmu zniszczenia. Energię tę można oszacować, wykonując badania doświadczalne przedstawione poglądowo na Rys. 2.15 i Rys. 2.16. Jej wartość określa się polem powierzchni pod wykresami naprężenie - przemieszczenie. Wybrane cechy tego typu elementów są dostępne w oprogramowaniu komercyjnym (np. w pakiecie Diana) [51].
Na Rys. 2.15 przedstawiono typowe w jednoosiowych próbkach rozciągania i ściskania zachowanie wyidealizowanego materiału quasi - kruchego, za jaki można uważać wypalaną cegłę glinianą, zaprawę, czy beton. Nieodłączną cechą takiego materiału jest zniszczenie wskutek postępującego rozwoju wewnętrznych mikrorys zmieniających się w widoczne makrorysy tuż przed maksymalnymi naprężeniami rozciągającymi ft lub ściskającymi fc[51].
a) b)
Rys. 2.15 Wykres obciążenie - przemieszczenie w jednoosiowych próbkach [51]:
a) rozciąganie, b) ściskanie
Wykresy z Rys. 2.15 należy uzupełnić mechanizmami zniszczenia występującymi w warstwach spoin poziomych: ich ścięciem lub ewentualnym poślizgiem pod wpływem naprężeń ścinających (Rys. 2.16)
Rys. 2.16 Ideowe zachowanie spoin w murze pod wpływem ścinania [51]
(c - kohezja zaprawy)
24 W procesie rozwoju zarysowań kontur graniczny ulega zmianie mierzonej pewnymi wewnętrznymi parametrami liczbowymi związanymi z energiami właściwymi dla danego mechanizmu zniszczenia. Energię tę można oszacować, wykonując badania doświadczalne przedstawione poglądowo na Rys. 2.15 i Rys. 2.16. Jej wartość określa się polem powierzchni pod wykresami naprężenie - przemieszczenie. Wybrane cechy tego typu elementów są dostępne w oprogramowaniu komercyjnym (np. w pakiecie Diana) [51].
Na Rys. 2.15 przedstawiono typowe w jednoosiowych próbkach rozciągania i ściskania zachowanie wyidealizowanego materiału quasi - kruchego, za jaki można uważać wypalaną cegłę glinianą, zaprawę, czy beton. Nieodłączną cechą takiego materiału jest zniszczenie wskutek postępującego rozwoju wewnętrznych mikrorys zmieniających się w widoczne makrorysy tuż przed maksymalnymi naprężeniami rozciągającymi ft lub ściskającymi fc[51].
a) b)
Rys. 2.15 Wykres obciążenie - przemieszczenie w jednoosiowych próbkach [51]:
a) rozciąganie, b) ściskanie
Wykresy z Rys. 2.15 należy uzupełnić mechanizmami zniszczenia występującymi w warstwach spoin poziomych: ich ścięciem lub ewentualnym poślizgiem pod wpływem naprężeń ścinających (Rys. 2.16)
Rys. 2.16 Ideowe zachowanie spoin w murze pod wpływem ścinania [51]
(c - kohezja zaprawy)
24 W procesie rozwoju zarysowań kontur graniczny ulega zmianie mierzonej pewnymi wewnętrznymi parametrami liczbowymi związanymi z energiami właściwymi dla danego mechanizmu zniszczenia. Energię tę można oszacować, wykonując badania doświadczalne przedstawione poglądowo na Rys. 2.15 i Rys. 2.16. Jej wartość określa się polem powierzchni pod wykresami naprężenie - przemieszczenie. Wybrane cechy tego typu elementów są dostępne w oprogramowaniu komercyjnym (np. w pakiecie Diana) [51].
Na Rys. 2.15 przedstawiono typowe w jednoosiowych próbkach rozciągania i ściskania zachowanie wyidealizowanego materiału quasi - kruchego, za jaki można uważać wypalaną cegłę glinianą, zaprawę, czy beton. Nieodłączną cechą takiego materiału jest zniszczenie wskutek postępującego rozwoju wewnętrznych mikrorys zmieniających się w widoczne makrorysy tuż przed maksymalnymi naprężeniami rozciągającymi ft lub ściskającymi fc[51].
a) b)
Rys. 2.15 Wykres obciążenie - przemieszczenie w jednoosiowych próbkach [51]:
a) rozciąganie, b) ściskanie
Wykresy z Rys. 2.15 należy uzupełnić mechanizmami zniszczenia występującymi w warstwach spoin poziomych: ich ścięciem lub ewentualnym poślizgiem pod wpływem naprężeń ścinających (Rys. 2.16)
Rys. 2.16 Ideowe zachowanie spoin w murze pod wpływem ścinania [51]
(c - kohezja zaprawy)
